Квантовые часы не могут отсчитывать привычные в повседневной жизни интервалы времени — секунды и минуты, но могут быть полезны в фундаментальных исследованиях, необходимых для развития квантовых технологий.

"Обычные часы всегда имеют какой-то счетчик и нулевую точку, от которой начинается отсчет. Квантовые часы измеряют временной интервал. А наш метод базируется на уникальных узлах во временном паттерне наблюдаемого процесса, и на основе их структуры мы можем точно сказать, сколько времени прошло с начала эксперимента", — объяснила Марта Берхольц, ученая в области материаловедения Тартуского университета, которая во время проведения экспериментов была докторантом Уппсальского университета, пишет Novaator. 

Атомные часы, составляющие основу современной цивилизации, по сути не отличаются от настенных, сделанных много веков назад. Однако вместо видимых маятников, колебания производят атомы — в основном между двумя состояниями цезия-133. Когда зарегистрировано определенное количество колебаний, можно условно сказать, что прошла одна секунда, минута или час.

Совершенно иной принцип к измерению времени с помощью атомов предложила Марта Берхольц и ее коллеги из университета Уппсалы. Их устройство основано на когерентном (согласованном - прим. ред) колебании электронного волнового пакета в ридберговском атоме. Однако, в отличие от обычных часов, это колебание максимально непериодично, а потому каждый его временной участок уникален. Это позволяет, зная всю временную зависимость, точно определить время, прошедшее с момента инициации колебания до момента измерения без необходимости фиксировать первый. Чтобы подчеркнуть это отличие новых квантовых часов от уже привычных атомных, авторы использовали слово "watch", которое в английском языке обозначает переносимые (наручные или карманные) часы, сообщает N+1.

Метод Марты Берхольц и ее коллег основан на уже проверенном "насосно-зондовом" эксперименте. Например, для изучения свойств материала, используемого в солнечной панели, его сначала бомбардируют очень коротким лазерным импульсом, а затем  вторым лазерным импульсом, пришедшим с задержкой, измеряют как первоначальное возбуждение подействовало на вещество. "Мы просто хотели посмотреть, как атомы реагируют на лазерное излучение, что происходит с электронами и т. д. Сначала мы точно не могли подумать, что это может стать некими квантовыми часами", — вспоминает исследователь.

Чтобы получить квантовые часы, команда одновременно возбудила несколько энергетических уровней атома гелия с помощью мощного лазера. В результате создалась суперпозиция электронов, т.е. они находились в нескольких местах одновременно. Эта комбинация меняется со временем.

Разности фаз состояний дают помехи, усиливающие или ослабляющие сигнал. Точно так же волны, возникающие при броске в пруд двух камней, могут сливаться друг с другом. В одних местах волны начинают усиливать друг друга, а в других гасить. Это, в свою очередь, отражается на показаниях детектора.

"Картина, которую мы увидели, оказалась крайне интересной, потому что интерференция была очень богатой по своей структуре. Мы видели уникальные следы, которые точно коррелировали с конкретным временем, прошедшим с момента возбуждения атома", — говорит Бергольц.

В то же время они были гораздо богаче по паттернам, чем знакомые из учебников физики интерференционные картины. Поскольку вместо двух друг на друга одновременно воздействовало около 40 электронных волн, этого тоже можно было ожидать. Сложность помогает гарантировать, что шаблоны никогда не повторяются в течение периода измерения.

Новый метод может быть особенно полезен для измерения коротких периодов времени — в фемтосекундном масштабе. Хотя одна фемтосекунда, или 0,000 000 000 000 001 секунды, может показаться людям непостижимо коротким периодом времени, электроны за это время могут преодолевать значительные расстояния.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.